蛇形機(jī)器人成盾構(gòu)機(jī)刀具“隨行醫(yī)生”

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作為開(kāi)掘隧道的利器，盾構(gòu)機(jī)在地下勢(shì)如破竹，依靠前端刀盤上的刀具可切削泥土或者破碎巖石。但刀具是易耗品，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響施工效率。盾構(gòu)過(guò)程中，泥土在高溫的作用下易形成泥餅粘在刀具上，此外硬質(zhì)巖石等硬物也會(huì)影響刀具的使用壽命。而且，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間復(fù)雜、狹小，工作環(huán)境惡劣，人工開(kāi)展檢測(cè)作業(yè)難度大、有安全隱患。因此，蛇形機(jī)器人是檢測(cè)刀具健康情況的好幫手。近日，由浙江大學(xué)高端裝備研究院特種機(jī)器人部科研團(tuán)隊(duì)研制的超冗余蛇形檢測(cè)機(jī)器人已經(jīng)在盾構(gòu)場(chǎng)景應(yīng)用。該機(jī)器人參照蛇骨架結(jié)構(gòu)與肌腱驅(qū)動(dòng)原理，能在65攝氏度、壓強(qiáng)2兆帕、濕度90%以上的環(huán)境下作業(yè)。其身體分節(jié)，直徑十多厘米，總長(zhǎng)2.4米，可通過(guò)手柄控制。

“蛇形機(jī)器人首先要靈巧，才能順利避開(kāi)障礙、抵達(dá)工作區(qū)域?！闭憬髮W(xué)高端裝備研究院特種機(jī)器人部負(fù)責(zé)人王程介紹，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，蛇形機(jī)器人屬于拉索驅(qū)動(dòng)串聯(lián)機(jī)器人的一種，普遍存在裝配誤差、拉索彈性變形、負(fù)載導(dǎo)致的定位控制難等問(wèn)題。

為此，團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人關(guān)節(jié)間鉸鏈中嵌入微型磁感應(yīng)角位移傳感器，研究剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模方法，并設(shè)計(jì)了一種智能閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。這滿足了機(jī)器人需要進(jìn)行高精度軌跡跟蹤的控制需求，令機(jī)器人頭部定位精度達(dá)到毫米級(jí)。

“安裝攝像機(jī)、高壓噴嘴等工具的一端，可以被看作蛇形機(jī)器人的頭部?！蓖醭探榻B，由于蛇形機(jī)器人有十幾個(gè)自由度，在避障時(shí)同時(shí)控制所有自由度非常困難。為此，團(tuán)隊(duì)提出了一種蛇行隨動(dòng)避障控制算法。在操作機(jī)器人時(shí)，工作人員只需控制機(jī)器人頭部的方向和機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)方向，機(jī)器人的身體便會(huì)沿著頭部走過(guò)的路徑動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

除了從技術(shù)層面確保行動(dòng)性能外，團(tuán)隊(duì)還采用數(shù)字孿生技術(shù)，在控制端建立起機(jī)器人與盾構(gòu)機(jī)的數(shù)字化模型，用來(lái)判斷機(jī)器人與盾構(gòu)機(jī)刀具的相對(duì)位置。這樣，操作人員就可以通過(guò)操作手柄輕松實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的導(dǎo)航。

進(jìn)入工作區(qū)域后，蛇形機(jī)器人通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具的特征識(shí)別，能實(shí)現(xiàn)刀具上泥塊的自動(dòng)沖洗。此外，此識(shí)別功能還可采集刀盤刀具圖像數(shù)據(jù)，分析刀具磨損的視覺(jué)特征，為進(jìn)一步開(kāi)展換刀工作提供決策依據(jù)。該識(shí)別功能對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具檢測(cè)的精度可達(dá)到毫米級(jí)。

王程介紹，2022年3月至7月，這款蛇形檢測(cè)機(jī)器人已在深圳機(jī)場(chǎng)至大亞灣城際鐵路工程先開(kāi)段隧道工程中的“先鋒2號(hào)”雙模盾構(gòu)機(jī)上成功應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)首個(gè)通過(guò)技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證的盾構(gòu)機(jī)蛇形檢測(cè)機(jī)器人。

浙江大學(xué)高端裝備研究院副院長(zhǎng)沈洪垚說(shuō)，該檢測(cè)機(jī)器人能夠有效降低人工入艙風(fēng)險(xiǎn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，從而大幅提升施工效率與安全水平。此外，該機(jī)器人還可實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具的健康管理，有效延長(zhǎng)刀具使用壽命，縮短施工周期，降低施工成本。

他介紹，研究院目前正與國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)行業(yè)龍頭企業(yè)開(kāi)展合作。下一步，他們將小批量試產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)蛇形檢測(cè)機(jī)器人，并在多種型號(hào)的盾構(gòu)機(jī)上進(jìn)行試用，推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。